基于高温环境的内燃动车组牵引变流器研制

江启文,彭 程

(中车株洲电力机车研究所有限公司,湖南 株洲 412001)

现行中国标准GB/T 25119—2021《轨道交通 机车车辆电子装置》与GB/T 32347.1—2015《轨道交通 设备环境条件 第1部分:机车车辆设备》要求,外界环境温度最高为+55℃;现行欧洲标准《铁路设施.设备的环境条件.第1部分:机车车辆与车载设备》要求,车辆外部最高环境温度要求为+50℃。过高的环境温度会对机车车辆牵引变流器产生较大影响,主要涉及设备的功能、可靠性、长期服役寿命等。某出口中东地区内燃动车组,要求在+60℃环境温度下长期运行,需研制适应高温环境的内燃动车组牵引变流器。

1 主电路设计

牵引变流器主电路如图1所示,采用架控设计,共用中间直流回路,内部包含一个三相不控整流器模块和两个逆变器模块,每个逆变器模块给两台牵引电机供电。一个辅助逆变器从中间直流回路取电,并经辅助变压器为柴油机冷却风机供电。变流器内部设置了独立的固定放电回路、接地检测电路和支撑回路。牵引变流器在牵引工况时,柴油机拖动主发电机,主发电机输出三相交流电,通过三相不控整流器输出中间直流电压对中间直流回路的支撑电容充电,中间电压经逆变器转换成频率和电压可变的三相电源供给异步牵引电机。制动工况时,牵引电机输出的三相电压牵引电机能量经逆变器,一部分能源给辅助系统供电,一部分能源通过制动电阻消耗。变流器通过对外接口与制动电阻连接,主要用于直流回路的过电压抑制及停机后的快速放电;辅助逆变柜通过变流器对外接口从中间直流回路取电。

图1 牵引变流器主电路

2 主要技术参数分析

2.1 三相不控整流器参数计算

三相不控整流器主电路如图2所示,ua、ub、uc是来自于前端发电机的输入电源,随柴油机转速调节发电机变频变压输出空载反电势三相交流电压800～1300 V。假设该电路已处稳态,由于负载后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的,所以分析中以电阻R作为等效负载。该电路任何时刻都只有两个二极管导通,使电流由高电位的相出发,经VD1、VD3、VD5中某一个二极管流经负载,再由VD2、VD4、VD6中某一个二极管流回电位最低的相,该过程中非作用二极管均处于截止状态。

图2 三相不控整流器主电路

输出电压ud的波形如图3所示,例如在I时间段,ua最高,ub最低,此时VD1、VD4导通,其他二极管处于截止状态,整流输出电压ud =ua-ub。以此类推,可得出不同时刻二极管的导通情况以及负载电压波形,则输出电压ud的平均值计算公式如下:

(1)

图3 三相不控整流器电路波形

结合图1变流器主电路,其功率流图如图4所示,根据变流器交流侧与直流侧瞬时功率相等的原理,可得下式:

(2)

图4 功率流图

式(2)中:P1为牵引电机额定输出功率,P2为辅助负载功率,ηinv为逆变器效率,ηT为变压器效率,ηufinv为辅助逆变器效率。

2.2 支撑电容器参数计算

为保证直流电压的稳定性,在变流器中间直流回路并联电容器,对于中间直流支撑电容器的电容值计算,一般可采用以下公式:

(3)

式(3)中:K1为中间电压波动系数,一般取5%;K为整流器输入电压相数。

支撑电容设计选型时,还应考虑实际流过电容的电流。流过支撑电容的电流ic等于整流器输出电流id与逆变器输入电流i1+i2的差值。

逆变器输入电流有效值可通过下式计算[1]:

(4)

式(4)中:Irms为逆变器输出电流有效值,M为调制比,cosφ为功率因数。

2.3 固定放电电阻参数计算

固定放电电阻的作用是在规定的时间内,将主电路中支撑电容上储存的电能快速释放到低于人体安全电压(36V)以下,以保障检修人员的人身安全。放电电阻满足下式:

(5)

式(5)中:Usafe为人体安全电压,Udmax为中间电压峰值,R为固定放电电阻阻值,C为支撑电容容值;

3 变流器技术参数设计

根据上述参数计算方法结合牵引变流器主电路方案,牵引变流器主要技术参数如表1所示。

表1 变流器主要技术参数

牵引变流器柜内主要发热部件为内部IGBT器件、接触器、功率电阻、电容、电缆,因此设计选型应该着重考虑高温对其的影响。对于IGBT模块温度过高:根据IGBT器件特性,当外界温度升高,其结温线性升高会使得IGBT导通电流呈指数形式递增,导致IGBT的功耗显著增加;且IGBT芯片结温存在一个极限值(最高允许结温),当温度过高时可能造成IGBT芯片结温超过最高允许结温,导致IGBT失效。对于接触器温度过高:可能导致接触器触头表面发生剧烈氧化,缩短接触器使用寿命;如果接触电阻明显增加会进一步导致触头温度升高,甚至可能使得触头发生粘连,造成电气故障。对于功率电阻温度过高:可能导致电阻阻值发生变化,使用寿命缩短,严重时甚至发生烧损;对于电容温度过高:电容的寿命会随着温度升高而缩短;同时温度升高会引起的电容器损耗值增大。对于电缆温度过高:导致电缆绝缘性能异常,容易出现绝缘击穿现象,如与其他电缆导体接触发生短路,严重时甚至会起火燃烧。所以实际工程应用设计时,需根据上述主要技术参数,结合关键器件的温度降额曲线进行选型。

4 冷却系统设计

变流器冷却系统采取密闭式循环水冷与强迫风冷结合的方式,组成单元包含了板翅式换热器、滤网、水泵、温度压力传感器、内循环换热器等。变流器冷却系统的工作原理如下:功率模块的热量通过水冷基板传递与冷却液进行热量交换,导致冷却液的温度升高;高温冷却液在水泵的驱动作用下进入换热器,位于换热器后端的风机强迫冷却空气流过滤网、换热器,当冷却空气通过换热器时与高温冷却液发生热交换,使冷却液的温度降低用于下一个循环散热周期使用,而吸收一定热量的冷空气则继续流向辅助变压器,然后通过出风口最终流向外部环境。

4.1 损耗计算

对于变流器冷却系统的功率设计,首先需要将变流器的各个主要发热部件损耗进行相关计算,计算方法参考文献[2]。该牵引变流器装有一重三相不控整流模块、两重主逆变器及一重辅助逆变器,根据牵引变流器运行参数和IGBT器件出厂手册相关数据,计算得到牵引变流器损耗,如表2所示。

4.2 风量计算

依照牵引变流器最大牵引功率工况情况下,计算得到的变流器损耗约为23.84 kW,根据热平衡方程[3],可计算需要的冷却通风风量:q=Q/CρρΔTL。式中:Cρ为空气比热容,单位J/(kg·℃);Q为发热量,单位W;ρ为空气密度,单位kg/m3;ΔTL为流过换热器冷却空气的进出口温差,单位K。

4.3 内循环设计

牵引变流器冷却系统中,两台主冷却风机位于变流器柜体上方,冷却空气从变流器侧面进风口经热交换器与高温冷却液发生热交换,使冷却液的温度降低用于下一个循环散热周期,而吸收一定热量的冷空气则继续流向辅助变压器,然后通过出风口最终流向外部环境。考虑到功率器件均装在密闭柜体空间内,为规避柜内局部热点和均衡柜内空气温度,因此设置了内循环系统。根据选型内循环风机的P-Q曲线,风机工作点的静压约为220Pa,风机的性能如图5所示。

图5 风机特性曲线

5 试验验证

牵引变流器研制完成后,为验证其相关性能,根据GB/T 25122.1—2018《轨道交通 机车车辆用电力变流器 第1部分:特性和试验方法》进行型式试验,各项试验均顺利通过,满足标准要求。

5.1 冲击和振动试验

依据标准GB/T 21563—2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》中1类A级的要求对牵引变流器在地面进行冲击振动试验,试验结果如表3和表4所示。

表3 模拟长寿命试验结果

表4 冲击试验结果

5.2 温升试验

为进一步监测牵引变流器内部关键器件温升情况,在牵引变流器内部布置温度采集传感器。使牵引变流器在表3所示工况下运行,对牵引变流器进行温升试验考核。当牵引变流器内部各部件达到热平衡状态时,对试验数据进行分析,如图6所示。CON进水口和出水口的温差稳定在2.2 ℃,INV1进水口和出水口的温差稳定在1.4 ℃,INV2进水口和出水口的温差稳定在2.2 ℃,UFINV进水口和出水口的温差稳定在0.9 ℃。通过上述温升试验表明,变流器内部关键部件温升趋于稳定,性能指标满足系统设计要求。

图6 各模块进出水口温度监测

5.3 高温试验

为进一步验证牵引变流器在60.0℃高温情况下的可靠性,使牵引变流器在表1所示工况下运行,进行60.0℃环温下的高温试验验证。测试牵引变流器内部关键器件温度并进行评估。具体结果如表5所示,在60.0℃的高温箱内以额定工况运行2小时后,模块内部驱动板最高温度点为驱动电阻85.3℃、支撑电容温度为66.6℃、辅助变压器温度为86.5℃、主风机机壳温度为87.2℃,均未超过设计限值要求。

表5 高温试验结果

通过上述试验结果表明, 牵引变流器的各项性能指标满足技术规范的相关要求。

6 结语

对内燃动车组牵引变流器主要技术参数进行研究,为适应高温环境要求,系统设计充分考虑高温对柜内关键部件工作的影响,对冷却系统进行精准设计,确保牵引变流器的散热性能满足系统运行要求。目前,该产品已通过型式试验,试验各项关键指标达到了系统设计要求,并完成了装车调试和考核,现场运行稳定,能满足内燃动车组在高温环境中的运行要求。